01 LED简介
发光二极管（Light-emitting Diode, LED）是基于半导体材料中的电子和空穴辐射复合而发出光子的发光器件。1997年，日本科学家Shuji Nakamura等人将蓝光氮化镓（Gallium Nitride, GaN）LED芯片与黄色荧光粉（Y3Al5O12:Ce3+, YAG）结合，制造出了世界上第一颗白光LED[1]，并被作为商用照明光源推向市场。
主流的商用白光LED封装技术，通常是利用稀土荧光粉作为色转换材料，采用单色短波长LED芯片激发荧光粉合成白光，如蓝光LED+黄绿色荧光粉、近紫外LED+三基色荧光粉等[2]。蓝光LED+YAG黄色荧光粉方案最为常用（图1），然而其光谱中半峰宽较宽且缺乏红光成分，在作为显示器背光源使用时，所能覆盖的色域较小（NTSC约70%），难以展现细腻的颜色细节，无法满足人们对高质量显示的需求。
图1 蓝光LED+黄色荧光粉封装方案(a)结构图，(b)光谱图[3]
02 LED传统高色域解决方案的缺点
为实现高色域白光LED，常用蓝光LED+绿色荧光粉+红色荧光粉实现，现有色域表现最好的是蓝光LED+β-Sialon+KSF方案，其NTSC色域可达95%左右。但该方案具有如下缺点：
1. 稀土荧光粉红绿波长相对固定，无法进行灵活的波长调控；
2. β-Sialon半峰宽偏宽，约50nm，限制色域进一步提升；
3. 荧光粉的摩尔消光系数低，导致同等色点要求下用量较高；
4. 荧光粉一般由短波强蓝光激发，对人眼健康有一定损害；
5. 荧光粉响应速度慢、刷新率低，易带来画面拖影；
6. β-Sialon和KSF应用专利分别被日本三菱和美国GE垄断，国产化程度低，存在卡脖子风险。
03 QD-LED量子点解决方案
量子点（Quantum Dot, QD）作为我国少数具备自主研发能力的新材料，可助力新型显示领域的弯道超车。QD-LED（量子点芯片封装）通过将量子点材料直接封装在LED蓝光芯片之上，通过芯片发出带有较高能量的光线，激发量子点材料发光来实现色彩转换，形成红绿蓝三基色。
如下图2所示，采用量子点方案，可实现光谱定制，其光谱范围广（400-700nm），半峰宽窄（<30nm），对蓝光具有高吸收高转换，材料用量比荧光粉低，可有效解决荧光粉方案的各个痛点。
图2 荧光粉缺点VS量子点解决方案示意图
纳晶科技QD-LED整体解决方案，可根据客户具体色域、亮度、成本和可靠性等产品需求，精确匹配技术方案，定制不同色域指标，满足普及化的要求。下图3为QD-LED与荧光粉LED的光谱对比，其中QD-LED采用红绿量子点，荧光粉LED采用β-Sialon+KSF。QD-LED波长可调，可按需求实现NTSC、DCI-P3、BT2020等标准体系下的高色域，其中NTSC色域可达115%，DCI-P3色域可达100%。令人期待的是，在此基础上量子点半峰宽还能继续缩窄，实验室甚至已做到10nm级别，根据产业界需求可匹配满足BT2020等标准的高性能量子点。
图3 QD-LED与荧光粉LED光谱对比
04 QD-LED量子点材料的核心特点
量子点为何如此优秀？这来自其底层材料特性。
如下图4所示，量子点是一种无机半导体纳米晶，其无机晶体发光中心，由核、壳和配体组成[4]。由于量子限域效应，量子点材料可覆盖全部可见光波段（400-700nm），甚至延伸至短波近红外波段（700-1100nm）。常用的量子点材料有II-VI族（如CdSe）、III-V族（如InP）、I-III-VI（如CuInS2）等。量子点在稳定性、溶液加工、尺寸可调、荧光效率和半峰宽方面，都体现出良好性能，在新型显示方面大有用武之地。新世纪伊始，彭笑刚教授开发出量子点绿色合成路线，成功打通了量子点从实验室合成到大规模生产的最大障碍，自此开创了量子点产业化的新天地，并于2019年荣获国际信息显示学会(SID)特殊贡献奖[5]。
图4 量子点结构示意图、基础性能、材料种类和三色荧光光谱
相较于量子点膜和量子点扩散板，由于QD-LED中的量子点与蓝光LED直接接触，受到光和热的影响成几何级数增加，对量子点可靠性的要求更为苛刻。
纳晶科技拥有全行业领先的可靠性测试平台，对QD-LED的可靠性测试前移至量子点阶段，从量子点底层设计上考虑各项产品要求，从原子层面解决量子点在光、热、水、氧下的物理化学稳定性。纳晶省级企业研究院的十余位博士/博士后，在化学/光学/高分子领域均有丰富经验，经过刻苦攻关终于攻克了量子点稳定性的世界级难题，所开发的高性能、超稳定量子点，为QD-LED的量产应用奠定了坚实基础。在不久的将来，QD-LED有望全面取代当前主流的传统LED+量子点膜/量子点扩散板方案，成为高色域LCD白色背光源的终极解决方案。
图5
QD-LED芯片结构示意图
QD-LED以高性价比实现高色域、低功耗、健康护眼等显示需求，可覆盖手机、平板、笔电、显示器、车载、电视、商显等不同尺寸、不同领域的产品，满足各类应用场景的需求。现阶段纳晶已完成小功率规格QD-LED芯片的开发，并计划在后续实现全面量产导入。伴随着量子点技术的日渐成熟和产业链的不断完善，一个全新的QD-LED时代正在到来！
参考文献
[1]
Gibney, Elizabeth. Blue LED wins physics Nobel. Nature 514.7521 (2014):152-153.
[2]
Wang, Xiaojun, et al. Luminescent properties of yellowish orange Y3Al5−xSixO12−xNx:Ce phosphors and their applications in warm
white light-emitting diodes. Journal of alloys and compounds 519
(2012):149-155.
[3] 谢斌. 量子点白光 LED 封装的光热性能研究. 博士论文. 华中科技大学(2019):1-2.
[4] Dai,
Xingliang, et al. Solution-processed, high-performance light-emitting diodes
based on quantum dots. Nature 515.7525 (2014):96-99.
[5]
Donelan, Jenny. SID Salutes Industry Standouts. Information Display 35.2
(2019):21-25.